雷射焊接技术

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1、第 3 章 雷射焊接技術3.1 概 述 3.2 雷射焊接原理 3.3 雷射焊接技術參數的作用與實驗選擇 3.4 雷射焊接實用舉例 3.5 雷射焊接技術的發展前景3.1 概 述l雷射焊接是一種無接觸加工方式，對焊接零件沒 有外力作用。雷射能量高度集中，對金屬快速加 熱後快速冷卻，對許多零件來講，熱影響可以忽 略不計，可認為不產生熱變形或者說熱變形極小 。能夠焊接高熔點、難熔、難焊的金屬，如鈦合 金、鋁合金等。雷射焊接過程對環境沒有污染， 在空氣中可以直接焊接，與需在真空室中焊接的 電子束焊接方法比較，雷射焊接技術簡便。l雷射焊接在電子工業、國防工業、儀表工業、電 池工業、醫療儀器以及許多行業中均

2、得到了廣泛 的應用。圖3.1 雷射焊接的零件 3.2 雷射焊接原理l雷射焊接常用的雷射光源是氣體CO2雷射器和固 體YAG雷射器，依雷射器輸出功率的大小和工作 狀態，雷射器工作的方式有連續輸出方式和脈衝 輸出方式。被聚焦的雷射光束照射到焊件表面的 功率密度，一般在104107W/cm2。其焊接的機 制也因功率密度的大小，區分為雷射熱傳導焊接 和雷射深熔焊接。l3.2.1 雷射熱傳導焊接l焊件結合部位被雷射照射，金屬表面吸收光能而使 溫度升高，熱量依照固體材料的熱傳導理論向金屬 內部傳播擴散。雷射參數不同時，擴散時間、深度 也有區別，這與雷射脈衝寬度、脈衝能量、重複頻 率等參數有關。l被焊工件結

3、合部位的兩部份金屬，因升溫達到熔點 而熔化成液體，很快凝固後，兩部份金屬熔接焊在 一起。l熱傳導型雷射焊接，需控制雷射功率和功率密度， 金屬吸收光能後，不產生非線性效應和小孔效應。 雷射直接穿透深度只在微米量級，金屬內部升溫靠 熱傳導方式進行。雷射功率密度一般在104 105W/cm2，使被焊接金屬表面既能熔化又不會汽化 ，而使焊件熔接在一起。圖3.2 YAG雷射頭照片l3.2.2 雷射深熔焊接l與雷射熱傳導焊接相比，雷射深熔焊接需要更高的 雷射功率密度，一般需用連續輸出的CO2雷射器， 雷射功率在2003000W的範圍。雷射深熔焊接的 機制與電子束焊接的機制相近，功率密度在106 107W/

4、cm2的雷射光束連續照射金屬焊縫表面，由於 雷射功率熱密度足夠高，使金屬材料熔化、蒸發， 並在雷射光束照射點處形成一個小孔。這個小孔繼 續吸收雷射光束的光能，使小孔周圍形成一個熔融 金屬的熔池，熱能由熔池向周圍傳播，雷射功率越 大，熔池越深，當雷射光束相對於焊件移動時，小 孔的中心也隨之移動，並處於相對穩定狀態。小孔 的移動就形成了焊縫，這種焊接的原理不同於脈衝 雷射的熱傳導焊接。 圖3.3 雷射深熔焊接小孔效應示意 l雷射深熔焊接依靠小孔效應，使雷射光束的光能 傳向材料深部，雷射功率足夠大時，小孔深度加 大，隨著雷射光束相對於焊件的移動，金屬液體 凝固形成焊縫，焊縫窄而深，其深寬比可達到12

5、 ：1。雷射深熔焊接需要足夠高的雷射功率，但幾 百瓦的CO2雷射器，當雷射模式好時，也能產生小 孔效應，這是因為基模光束聚焦後能夠獲得高功 率密度。圖3.4 CO2深熔焊接機示意 l雷射深熔焊接的焊接速度與雷射功率成正比，熔 深與速度成反比，欲使熔接速度增加、熔深加大 ，就必須選用大功率雷射器。為獲得高速度、高 品質的焊接效果，常用15003500W之間的連續 CO2雷射器進行焊接。 圖3.5 大功率CO2雷射器內部結構及外形3.3 雷射焊接技術參數的作用與實驗選擇l3.3.1 雷射焊接技術的主要參數l對脈衝雷射器來講就是平均雷射功率的大小，保 證了足夠的雷射功率，在熱傳導焊接中，雷射器 工作

6、於脈衝狀態，因而脈衝能量、脈衝寬度和雷 射重複頻率就是很重要的參數。當然，雷射外光 路的設計、聚焦系統、焊接時離焦量大小的影響 也是必須注意的，焊接的速度或者說光斑的重疊 率，雷射脈衝的重複頻率，也要有適當的配合。 為了防止焊接過程中工件材料的氧化，需要選用 適當的保護氣體，而且保護氣體的流量大小、吹 氣方式，或者說是吹氣噴嘴形狀的設計都是很有 關係的。圖3.6 雷射焊接頭的實物照片 l3.3.2 雷射焊接主要參數的選擇l一、雷射功率l雷射功率的大小是雷射焊接技術的首選參數，只 有保證了足夠的雷射功率，才能得到好的焊接效 果。l雷射功率較小時，雖然也能產生小孔效應，但有 時焊接效果不好，焊縫內

7、有氣孔，雷射功率加大 時，焊縫內氣孔消失，因此雷射深熔焊接時，不 要採用勉強能夠產生小孔效應的最小功率。適當 加大雷射功率，可以提高焊接速度和熔深，只有 在功率過大時，才會引起材料過分吸收，使小孔 內氣體噴濺，或焊縫產生疤痕，甚至使工件焊穿 。圖3.7 不同焊接參數與熔深的關係l為使焊縫平整光滑，實際焊接時，雷射功率在開 始和結束時都設計有漸變過程，啟動時雷射功率 由小變大到預定值，結束焊接時雷射功率由大變 小，焊縫才沒有凹坑或斑痕。l二、雷射脈衝寬度l雷射熱傳導焊接中，雷射脈衝寬度與焊縫深度有 直接關係，也就是說脈衝寬度決定了材料熔化的 深度和焊縫的寬度。據文獻記載，熔深的大小隨 脈寬的1/

8、2次方增加l。如果單純增加脈衝寬度，只會使焊縫變寬、過 熔，引起焊縫附近的金屬氧化、變色甚至變形。 因此，特殊要求較大熔深時，可使聚焦鏡的焦點 深入材料內部，使焊縫處發生輕微打孔，部份熔 化金屬有汽化飛濺現象，焊縫深度變大，此時焊 縫表面平整度可能稍差。必要時，改變離焦量重 複焊接一遍，可使焊縫表面光滑美觀。l三、雷射脈衝波形l熱傳導型雷射焊接使用重複脈衝雷射焊接材料， 為了焊接效果好，就要對雷射脈衝波形有一定要 求。l借用電子電路技術中仿真線的概念，由電感電容 網絡組成仿真線，通過仿真線放電形成特定形狀 的雷射脈衝，一般通過L-C仿真線網絡可以將脈衝 展寬，得到一個平頂寬脈衝。根據需要可以使

9、脈 寬在35ms，最大可做到30ms。圖3.8 仿真線脈衝形成網絡l金屬在常溫下對雷射反射率較高，如鋼鐵類金屬表 面對1064nm波長的YAG雷射的反射率達60%，但金 屬表面溫度升高以後，反射率迅速下降，金屬對雷 射能量的吸收率很快增加。簡單的方波脈衝使焊斑 熔化不好，流動性差，甚至出現裂紋，焊接效果不 理想。這就需要對仿真線參數進行修正。l為了使雷射光波形前緣出現高幅值尖峰，將仿真線 第一網孔L1C1組合中的電感L1減小或去掉，C1用低 感或無感電容，使雷射光波形前緣陡峭，有利於迅 速降低反射率，加強對光能的吸收。同時對仿真線 最後一組或兩組的電感L4或L5的電感量適當增大， 延緩放電速度

10、，使雷射波形有個拖尾，在焊接過程 中，對於熔融部份的金屬得到減緩凝固的作用，對 於鋁合金等材料的焊接，有很明顯的改進作用。圖3.9 氙燈放電波形 l當焊接工件以一定速度移動時，雷射熔斑相互重 疊，重疊率由工件移動速度和雷射重複頻率來決 定。這種焊接狀態與單脈衝點焊不同，當一個雷 射脈衝聚焦的光斑照射到焊縫處時，前一個雷射 脈衝已將該處金屬材料加熱，且前一個光斑照射 的部份金屬已呈熔融狀態，尚未來得及凝固或者 說未能完全凝固。因而這個雷射脈衝到來時，焊 縫處的溫度升高，金屬的反射率降低，並不需要 前置尖峰脈衝的雷射波形。一般可以通過重複的 熔斑對工件實現密封焊接，這是國內外目前使用 最多的雷射脈

11、衝波形。圖3.11 重複脈衝雷射放電波形 l傳統的電子電路與微處理機結合，實現了以前電 子電路無法實現的功能，有效地提高了整機的性 能和水準，通過單晶片微處理機使雷射脈衝可任 意設置的雷射器，就是當前的較先進的一項技術 ，提高了雷射焊接機的功能，本來不能焊接或焊 不好的材料也可以焊得很好了。 圖3.12 可任意設置的雷射脈衝波形l四、雷射脈衝重複頻率l熱傳導焊接中，雷射器發出重複頻率雷射脈衝，每 個雷射脈衝形成一個熔斑，焊件與雷射光束相對移 動速度決定了熔斑的重疊率，一系列的熔斑形成魚 鱗紋似的漂亮焊縫。如儀器、儀表、電池、繼電器 外殼的密封，板材、管件或需要連接的電子零件、 機械零件的焊接等

12、大都使用這種方法。l為了實現雷射密封焊接，對於雷射光斑的重複頻率 有一定要求，一般要重疊70%以上，因為每一個熔 斑都是材料表面吸收了雷射的能量通過熱傳導向四 周擴散的，所以熔斑斷面形狀為半球形，如圖3.14 所示，為了達到一定厚度的熔深，只有在高重複頻 率下才能達到密封焊接。圖3.14 重複雷射脈衝的焊接效果l航空儀表外殼雷射密封焊接後，要求漏氣率小於 10-810-10PaL/s，這是很高的指標，只有用氦質 譜儀才能檢測。 l五、離焦量的選擇l對於能夠正常焊接的雷射功率（或是脈衝能量） ，在焦平面處的雷射功率密度往往已經超過雷射 焊接所需的功率密度，在焦點位置焊接，可能會 出現金屬汽化、熔

13、渣飛濺或是打孔現象。正確焊 接技術是使焦平面離開工件表面一小段距離，這 個距離稱為離焦量。如圖3.15所示，以工件表面為 準，焦平面深入工件內部稱為負離焦，焦平面在 工件之外稱為正離焦。圖3.15 焦平面示意l一般對熔深要求不高時最好用正離焦，這樣很容易 獲得牢固美觀的焊縫。實際焊接過程中經常是雷射 器各項參數設置完畢後，最後經由微調離焦量，來 達到完美的焊接效果。l離焦量的選擇和聚焦鏡的焦距數值大小有關，焦平 面處的光斑尺寸D與聚焦鏡的焦距F和雷射光束的發 散角有關，即l DFl焊接0.51mm厚鋼板時，聚焦鏡焦距通常是100 200mm，對光斑尺寸要求並非十分嚴格，因而離焦 量的選取也有較

14、大的範圍。雷射焊接金屬膜片時， 要求熔斑直徑小，聚焦鏡的焦距也小，在這種情況 下離焦量的選擇要謹慎，離焦量不宜太大。l六、保護氣體l在一些對焊接技術要求嚴格的場合，如要求焊縫 美觀、密封、無氧化痕跡的產品，或是易於氧化 難於焊接的鋁合金材料，在焊接過程中就必須施 加保護氣體。l氮氣室上部有透光平板玻璃，允許波長為1064nm 的雷射光束射入到焊件的焊縫上，氮氣室內充滿 氮氣，這樣被焊接金屬零件在加熱熔化過程中就 不會氧化，如焊接鋼類零件或不銹鋼類零件時， 得到的焊縫是閃亮的，密封效果也好。圖3.16 氮氣室示意 l在要求高度密封、漏氣率很低的工件焊接時，最 好使用氬氣，焊接效果會更好，一次焊接

15、密封成 功率高，而且焊縫美觀。l保護氣體除防止熔化金屬被氧化之外，還有一個 作用就是吹掉焊接過程中產生的電漿火焰，電漿 火焰本身對雷射能量有吸收、散射作用，影響焊 接效果，減少熔接深度。l雷射深熔時，在一定壓力流速下的保護氣體能夠 迅速清除熔化區的空氣，避免金屬氧化，同時保 護氣體能夠將電漿火焰保持在熔池小孔內部，熔 池內部熱量增多，使焊縫的熔深加大。圖3.17 帶保護氣體噴嘴的雷射焊接頭 3.4 雷射焊接實用舉例l3.4.1 新型電池的雷射焊接l航空飛行器上改用鋰離子電池後，比能量是鎘鎳 電池的23倍，是氫鎳電池的1.52倍。用在攝錄 影機上，用在行動電話上，用在筆記本電腦上， 都使這些移動

16、電子產品體積大為縮小，待機時間 倍增。鋰離子電池一經問世，產銷量便迅速增加 。2000年年產量達4.5億支以上，近年來產量還在 不斷增加，而且又將成為正在研製的電動汽車的 首選電源。l鋰離子電池，有幾道程序如極耳焊接、安全閥焊 接、負極焊接、外殼密封焊接等，均以雷射焊接 為最佳技術。技術參數鎘鎳蓄電 池氫鎳蓄電 池鋰離子蓄 電池工作電壓V1.21.23.6質量比能量W h/kg5065105體積比能量W h/h150200270充放電次數5005001000自放電率%2530303569表3.1 各種蓄電池主要性能對比 l一、極耳安全閥的自動焊接l新型電池內部裝有防爆裝置，稱為安全閥，鋰離 子電池有內部膨脹爆炸危險，因而電池必須裝有 安全閥，作為安全保障。安全閥結構巧妙，為用 雷射焊接牢固的、一定形狀的兩個鋁質金屬片， 由雷射熔斑形成的抗拉強度，需在設計值範圍之 內，即通過雷射熔斑使電池內部形成通路，但當 內部壓力升高到一定值時，雷射熔斑被撕開，起 到保護作用。圖3.18 電池安全閥結構示意 圖3.19 雷